CN105139897B - 一种大规模连续制备包覆颗粒的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大规模连续制备包覆颗粒的系统，该系统包括：依次连接的包覆炉、冷却炉、固体副产物处理装置以及气体副产物处理装置；所述包覆炉，用于包覆颗粒；所述冷却炉，用于冷却包覆后的颗粒；所述固体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的固体副产物；所述气体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的气体副产物。本发明的连续制备包覆颗粒的系统解决了现有技术针对批量生产，即单批次制备，两次之间有一定时间间隔，均有升温和降温过程，同时规模较小，没有完全脱离实验室研究性质，无法做到真正的工业连续化制备的问题。

Description

一种大规模连续制备包覆颗粒的系统
技术领域
本发明涉及包覆颗粒制备装置，具体涉及一种大规模连续制备包覆颗粒的系统。
背景技术
我国球床式高温气冷堆所使用的陶瓷型燃料元件，结构为三层各向同性(TRISO型)包覆颗粒弥散在燃料区的石墨基体中。高温气冷堆核电站的固有安全性的第一道保证就是所使用的核燃料为TRISO型包覆颗粒，其由核燃料核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层组成。包覆燃料颗粒是高温气冷堆球形燃料元件的重要组成部分。包覆燃料颗粒能够有效阻挡裂变产物的释放，从而确保高温气冷堆的优异安全性。本申请是针对规模化连续制备包覆燃料颗粒，涉及领域为核燃料制备和高温气冷堆领域。
目前在包覆燃料颗粒制备方面公开的专利主要针对批量生产的包覆设备及辅助系统，例如专利(201110148907.9，201310314765.8)。均是针对批量生产，即单批次制备，两次之间有一定时间间隔，并且均有升温和降温的过程，同时规模较小，没有完全脱离实验室研究性质，无法做到真正的工业连续化制备，同时没有考虑到包覆颗粒产率及原子循环经济特征，即包覆燃料颗粒的经济性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术针对批量生产，即单批次制备，两次之间有一定时间间隔，规模较小，没有完全脱离实验室研究性质，无法做到真正的工业连续化制备的问题。
为此目的，本发明提出一种大规模连续制备包覆颗粒的系统，包括：
依次连接的包覆炉、冷却炉、固体副产物处理装置以及气体副产物处理装置；
所述包覆炉，用于包覆颗粒；
所述冷却炉，用于冷却包覆后的颗粒；
所述固体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的固体副产物；
所述气体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的气体副产物。
可选的，所述包覆炉，包括：喷嘴、流化管和加热炉；
所述喷嘴与所述流化管的流化床连接，所述流化床为多锥度流化床。
可选的，所述固体副产物处理装置，包括：
依次连接的旋风分离器、第一过滤器以及第二过滤器；
所述第一过滤器用于对所述旋风分离器得到的固体副产物进行粗过滤，得到中间副产物；
所述第二过滤器用于对所述第一过滤器得到的中间副产物进行精过滤。
可选的，所述气体副产物处理装置，包括：
气体副产物暂存设备、气体副产物分离设备、气体副产物存储设备；
所述气体副产物暂存设备，用于将固体副产物处理装置中的气体副产物进行暂存；
所述气体副产物分离设备，用于将所述气体副产物暂存设备中暂存的气体副产物进行分离，得到至少氢气H2和氩气Ar；
所述气体副产物存储设备，用于将所述气体副产物分离设备得到的H2进行存储。
可选的，所述喷嘴，包括：中路孔、多个一级环路孔以及多个二级环路孔；
所述多个一级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个二级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个一级环路孔位于所述中路孔与所述多个二级环路孔之间。
可选的，所述流化床内设置有气体分布器；
所述气体分布器，包括：中心孔、多个一级环直孔以及多个二级环斜孔；
所述中心孔与所述喷嘴的中路孔位于同一轴线；
所述多个一级环直孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个二级环斜孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个一级环直孔位于所述中心孔与所述多个二级环斜孔之间。
可选的，所述中路孔的轴线与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度。
可选的，第一级环路孔与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度，或者斜度为0。
相比于现有技术，本发明的大规模连续制备包覆颗粒的系统解决了现有技术针对批量生产，即单批次制备，两次之间有一定时间间隔，均有升温和降温过程，同时规模较小，没有完全脱离实验室研究性质，无法做到真正的工业连续化制备的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种大规模连续制备包覆颗粒的系统结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种包覆炉及冷却炉连接示意图；
图3为本发明实施例公开的一种大直径包覆炉的结构示意图；
图4为本发明实施例公开的一种大直径流化管的底座的A-A截面图；
图5为实施例公开的一种固体副产物处理装置结构图；
图6为实施例公开的一种气体副产物处理装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为实施例公开的一种大规模连续制备包覆颗粒的系统结构示意图，该系统包括：依次连接的包覆炉1、冷却炉2、固体副产物处理装置3、气体副产物处理装置4。
所述包覆炉1，用于包覆颗粒，包覆方法采用流化床化学气相沉积方法；
所述冷却炉2，用于冷却包覆后的颗粒；
所述固体副产物处理装置3，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的固体副产物；
所述气体副产物处理装置4，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的气体副产物。
本实施例中，包覆炉1设置有待包覆颗粒装料口5，冷却炉2设置有包覆后的颗粒出料口6。
本实施例中，上述大规模连续制备包覆颗粒的系统，还包括：气体配送装置7。气体配送装置7的输入端连接气体副产物处理装置4，气体配送装置7的输出端连接包覆炉1。
在一个具体的例子中，上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的包覆炉1，包括：喷嘴、流化管和加热炉；
所述喷嘴与所述流化管的流化床连接，所述流化床为多锥度流化床。
在一个具体的例子中，所述固体副产物处理装置，包括：
依次连接的旋风分离器、第一过滤器以及第二过滤器；
所述第一过滤器用于对所述旋风分离器得到的固体副产物进行粗过滤，得到中间副产物；
所述第二过滤器用于对所述第一过滤器得到的中间副产物进行精过滤。
在一个具体的例子中，所述气体副产物处理装置，包括：
气体副产物暂存设备、气体副产物分离设备、气体副产物存储设备；
所述气体副产物暂存设备，用于将固体副产物处理装置中的气体副产物进行暂存；
所述气体副产物分离设备，用于将所述气体副产物暂存设备中暂存的气体副产物进行分离，得到至少氢气H2和氩气Ar；
所述气体副产物存储设备，用于将所述气体副产物分离设备得到的H2进行存储。
在一个具体的例子中，所述喷嘴，包括：中路孔、多个一级环路孔以及多个二级环路孔；
所述多个一级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个二级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个一级环路孔位于所述中路孔与所述多个二级环路孔之间。
在一个具体的例子中，所述流化床内设置有气体分布器；
所述气体分布器，包括：中心孔、多个一级环直孔以及多个二级环斜孔；
所述中心孔与所述喷嘴的中路孔位于同一轴线；
所述多个一级环直孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个二级环斜孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个一级环直孔位于所述中心孔与所述多个二级环斜孔之间。
在一个具体的例子中，所述中路孔的轴线与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度。
在一个具体的例子中，第一级环路孔与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度，或者斜度为0。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的包覆炉采用了大直径流化管、分级喷嘴、多环斜孔式气体分布器以及流化床底面多锥度设计，可用于连续包覆核燃料颗粒。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的大直径流化管为颗粒流化区，直径在160mm-280mm之间。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的分级喷嘴为中环路多级设计，中路为单孔，环路为4-8孔，特征是均匀分布在中路单孔周围。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的多环斜孔式气体分布器为中心孔和环状斜孔设计，中心孔与上述喷嘴中孔位于同一轴线，环状斜孔呈周期性旋转分布。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的底面多锥度为流化床底部设置多个角度的斜坡相连设计，有利于减少颗粒聚集和增加颗粒循环速度。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的冷却炉为单孔喷动床，内径在160-250mm之间，材料用耐高温材料制作，优选陶瓷材料。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的气体分离循环系统指的是氩气和氢气的分离装置，包括尾气暂存罐、气体冷冻分离室以及存储间。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的气体分离装置包括变温吸附和冷冻分离两个主要部分。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的副产物在线处理系统为在线旋风除尘、在线粗过滤、在线精过滤三级过滤装置及副产物在线存储更换设施。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统中的副产物在线存储更换设施为两级闸板阀容器隔断设计，可以在线更换存储器皿而不停止气固分离操作。
所述流化气体指的是氩气或者氢气。
所述流化、反应气体流量分别在200-400L/min和400-800L/min。
所述包覆温度在1200-1600摄氏度之间。
所述流化/反应气体配比在1:1-10:1之间。
所述液体蒸汽温度在35-55摄氏度之间。
所述液体蒸汽载带气流量在10-20L/min之间。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统具有以下功能：
1)以放大直径、分级喷嘴、多环斜孔式气体分布器/底面多锥度设计为主要特征的立式包覆炉包覆功能。
2)以热态颗粒输运、热态气固高效分离、输运压力平衡装置、包覆炉-冷却炉联动操作为主要特征的热卸料功能。所述热卸料系统主体为高效旋风分离器及相关管路和阀门，其中整体处于冷却炉中，处于惰性气体保护氛围之内；
所述热卸料系统的压力平衡是通过真空罐以及二级阀门实现的。
所述热卸料中间过程工艺控制参数，包括出料温度、出料抽真空度，冷却炉气速；
所述出料温度为600-1000摄氏度之间；
所述出料真空度在-89Kpa以下；
所述冷却炉冷却气体流量在100-400L/min之间。
3)以流化气体、反应气体、气体副产物多级在线分离、循环为主要特征的气体再循环功能。
4)以固体副产物三级过滤、在线回收再利用为主要特征的副产物在线处理功能。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统在工艺参数方面包括：
1)包覆过程工艺参数，即单次投料量6-10kg UO2的工艺参数，具体为：流化/反应气体流量、包覆温度、流化/反应气体配比以及液体载带气流量。本实施例仅为举例说明，并不限定包覆过程工艺参数具体内容。
2)连续化工业生产升降温及热卸料中间过程工艺控制参数。
本发明的有益效果是：本专利针对规模化连续制备包覆燃料颗粒这一过程，可以实现真正的包覆颗粒生产连续化、控制自动化以及生产的经济性优化，避免人工操作误差，减少事故可能性以及设备故障率，有明显的经济价值和社会效益。
图2为实施例公开的一种包覆炉及冷却炉连接示意图，其中，
包覆炉1中的热态取料管1-2连接取料调节阀1-3；
取料调节阀1-3连接冷却炉2中的旋风分离器1-4；
旋风分离器1-4连接真空调节阀1-5；
真空调节阀1-5连接真空产生腔1-6；
冷却炉2的出气口1-7连接冷却炉2的气体冷却器1-8；
气体冷却器1-8连接冷却炉2的进气口1-9；
冷却炉2的颗粒出料口1-10。
图3为实施例公开的一种大直径包覆炉结构示意图，该大直径包覆炉包括：大直径流化管1-1-1、喷嘴1-1-2；
其中，大直径流化管1-1-1的底座1-1-3为双锥度设计；喷嘴1-1-2为中环路设计；
图4为实施例公开的大直径流化管的底座的A-A截面图，其中，
底座1-1-3上设置有通气的中孔1-1-4；直孔1-1-5；斜孔1-1-6；本实施例中，中孔1-1-4周围设置有四个直孔1-1-5，在四个直孔1-1-5外围设置有四个斜孔1-1-6，本实施例中直孔和斜孔个数仅为举例说明，本实施例不限定直孔和斜孔个数。
本实施例中，气体从箭头1-1-7所指方向进入包覆炉，并从箭头1-1-8所指方向离开包覆炉；
包覆炉加热管及外壳1-1-9；包覆炉颗粒进料口1-1-10。
图5为实施例公开的一种固体副产物处理装置结构图，该固体副产物处理装置包括：
一级旋风分离器2-1，用于对包覆炉在包覆颗粒过程中产生的固体副产物进行第一次分离；
二级袋式除尘器2-2，用于对经过第一次分离的固体副产物进行第二次分离；
三级精过滤器2-3，用于对经过第二次分离的固体副产物进行精过滤；
第一闸板阀2-4、第一快速接口2-5及第一废料罐2-6；第二闸板阀2-7、第二快速接口2-8及第二废料罐2-9。
图6为实施例公开的一种气体副产物处理装置结构图，该气体副产物处理装置包括：
尾气高压暂存器3-1、气体分离室3-2；其中，气体分离室3-2包括变压吸附器3-3和深冷分离器3-4；
该气体副产物处理装置还包括：氢气H2二次存储和再分配装置3-5；氩气Ar再循环系统3-6。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统通过如下的操作步骤完成颗粒包覆：
将待包覆的颗粒加入到包覆炉中，通入包覆气体和流化气体，同时收集气体副产物以及固体副产物；等包覆完成后，保持流化气体不变，降温至合适温度(该合适温度可预先设定)，插入出料管，设置冷却炉内流化气速，调节出料真空度，打开出料阀门，将颗粒吸入冷却炉，直至颗粒全部吸出；再将待包覆的颗粒再次加入包覆炉进行下一轮包覆。
上述大规模连续制备包覆颗粒的系统在完成颗粒包覆后，为了更明确颗粒包覆效果，将之用于包覆后核燃料颗粒的真实包覆过程。
设置包覆炉流化气体流量为400L/min，包覆气体流量为200L/min，装入颗粒量为10kg，冷却气体流量为90L/min，出料真空度为-90kpa，出料温度为950摄氏度，包覆完毕后调节出料阀和真空阀，完成整个包覆-冷却过程。包覆参数可以满足设计要求，没有发现颗粒挤压破碎现象。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种大规模连续制备包覆颗粒的系统，其特征在于，包括：
依次连接的包覆炉、冷却炉、固体副产物处理装置以及气体副产物处理装置；
所述包覆炉，用于包覆颗粒；
所述冷却炉，用于冷却包覆后的颗粒；
所述固体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的固体副产物；
所述气体副产物处理装置，用于处理所述包覆炉在包覆颗粒过程中产生的气体副产物；
包覆炉中的热态取料管连接取料调节阀；
取料调节阀连接冷却炉中的旋风分离器；
旋风分离器连接真空调节阀；
真空调节阀连接真空产生腔；
冷却炉的出气口连接冷却炉的气体冷却器；
气体冷却器连接冷却炉的进气口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述包覆炉，包括：喷嘴、流化管和加热炉；
所述喷嘴与所述流化管的流化床连接，所述流化床为多锥度流化床。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固体副产物处理装置，包括：
依次连接的旋风分离器、第一过滤器以及第二过滤器；
所述第一过滤器用于对所述旋风分离器得到的固体副产物进行粗过滤，得到中间副产物；
所述第二过滤器用于对所述第一过滤器得到的中间副产物进行精过滤。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体副产物处理装置，包括：
气体副产物暂存设备、气体副产物分离设备、气体副产物存储设备；
所述气体副产物暂存设备，用于将固体副产物处理装置中的气体副产物进行暂存；
所述气体副产物分离设备，用于将所述气体副产物暂存设备中暂存的气体副产物进行分离，至少得到氢气H2和氩气Ar；
所述气体副产物存储设备，用于将所述气体副产物分离设备得到的H2进行存储。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述喷嘴，包括：中路孔、多个一级环路孔以及多个二级环路孔；
所述多个一级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个二级环路孔均匀分布于所述中路孔的周围；
所述多个一级环路孔位于所述中路孔与所述多个二级环路孔之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述流化床内设置有气体分布器；
所述气体分布器，包括：中心孔、多个一级环直孔以及多个二级环斜孔；
所述中心孔与所述喷嘴的中路孔位于同一轴线；
所述多个一级环直孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个二级环斜孔均匀分布于所述中心孔的周围；
所述多个一级环直孔位于所述中心孔与所述多个二级环斜孔之间。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述中路孔的轴线与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，一级环路孔的轴线与喷嘴轴线位于同一平面，即无斜度，或者斜度为0。
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